2013年12月16日 星期一

牛頓、拉格朗日多項式插值法與基底變換


在座標平面上要找出通過固定幾個點的函數會有很多種,通常可以用多項式函數來近似原本的函數,稱為插值多項式。在高中一年級的課程就有提到牛頓插值法(Newton’s interpolation)和拉格朗日插值法(Lagrange’s interpolation)。前幾天在跟其他老師聊天時,說到我對這些多項式插值法的感覺,一是將多項式採用不同基底的線性組合,另一則是將拉格朗日多項式與數論的中國剩餘定理(the Chinese Remainder Theorem, CRT)作連結。以下就以基底的線性組合的觀點來談這件事(關於CRT和Lagrange’s interpolation的關係以後有空再寫):

以不同基底的概念來說,例如欲求在座標平面上通過(x1, y1)、(x2, y2)、(x3, y3)的多項式函數y=f(x),其中degf(x)≦2,則f(x)可作以下假設:

(1)一般式的假設:f(x)=ax2+bx+c

(2)牛頓插值法的假設:f(x)=A(x-x1)(x-x2)+B(x-x1)+C

(3)拉格朗日插值法的假設:f(x)=α(x-x1)(x-x2)+β(x-x2)(x-x3)+γ(x-x1)(x-x3)

這三個其實就是考慮所有deg≦2的多項式構成的向量空間,分別採用B1={x2, x, 1}、B2={(x-x1)(x-x2), (x-x1), 1}、B3={(x-x1)(x-x2)、(x-x2)(x-x3)、(x-x1)(x-x3)}為基底的假設,所以這三種假設法都能得到唯一的係數,確實能表示滿足所需條件的多項式。

更仔細來說,基底的座標變換矩陣可以寫成


所以

例:欲求在座標平面上通過(1, 6)、(2, 14)、(3, 26)的二次函數y=f(x)的一般式。
Sol
:
利用牛頓插值法假設,可設f(x)=A(x-1)(x-2)+B(x-1)+C,依次代入(1, 6)、(2, 14)、(3, 26),可得C=6,B=8,A=2,即f(x)=2(x-1)(x-2)+8(x-1)+6,若利用座標變換矩陣可得
 即f(x)=2x2+2x+2。

若利用拉格朗日插值法,我們可以直接寫出
 利用座標變換矩陣可得
即f(x)=2x2+2x+2。

當然上面兩種方法,直接將f(x)=2(x-1)(x-2)+8(x-1)+6或f(x)=13(x-1)(x-2)+3(x-2)(x-3)-14(x-1)(x-3)展開都會比較容易。

相關文章:中國剩餘定理(the CRT)與拉格朗日插值法(Lagrange's interpolation)

2013年10月21日 星期一

兩道簡單的幾何題目

好久沒經營這個blog了,把前陣子校內競賽自己設計覺得還蠻喜歡的預選題(可惜沒被選上)放一些上來。

【題】設為一圓的直徑,A1、A2、…、An為圓上的點,對於所有的i=1~n,作,其中Di為垂足,若,試證:

Pf:
對於所有的i=1~n,因為Ai在圓上,所以∠PAiQ=90°,故,且由母子相似性質知,,,及已知條件,可得


由於,i=1~n,所以。故

 
 得證□

其實命題時上面這個題目的想法是從猜拳輸、贏的平方和與標準差出來的,簡單對照一下,就可以發現它的關聯了。

【題】設三角形ABC的邊長分別為a、b、c,外接圓半徑長為R,內切圓半徑長為r,三角形DEF的三邊長分別為a+b、b+c、c+a,試求三角形DEF的內切圓半徑長。
Sol:
設三角形DEF的內切圓半徑為r’,則三角形DEF的面積等於(a+b+c) r’,又由海龍公式可知三角形DEF的面積等於,所以。又因三角形ABC面積等於移項得,所以。


2013年8月25日 星期日

10個餘弦定理的證明

正、餘弦定理為幾何的三角習題中常會利用到的公式,這裡針對餘弦定理整理出10種不同的證明方法,10種方式分類如下:
(1)利用投影公式證明
(2)直接利用商高定理證明
(3)坐標化計算兩點之間的距離
(4)利用向量內積來證明
(5)利用Heron面積公式來證明
(6) 利用複數來證明
(7)利用正弦定理證明
(8)利用圓內冪性質、圓外冪性質來證明
(9)觀察圖形
(10)類似歐幾里得《幾何原本》第一卷第47命題證明畢氏定理的方式來證明


以下證明均令、、。

(1)利用投影公式證明
如圖,令為上的高,其中D為垂足。若∠A≦π/2,則,若∠A>π/2,則,這些情況都可以表示為c=acosB+bcosA,同理,a=bcosC+ccosB、b=acosC+ccosA。
因此由
利用Cramer’s Rule可解得


(2)直接利用商高定理證明
仍參考上圖。不失一般性,假設∠B和∠C為銳角。令為上的高,其中D為垂足。
若∠A為直角,A點與D點重合,由畢氏定理有a2=b2+c2=b2+c2-2bccosA。
若∠A為銳角,
若∠A為鈍角,

這裡用到。



(3)坐標化計算兩點之間的距離
如下圖左,將ΔABC的三頂點坐標化,令A(0, 0), B(ccosA, csinA), C(b, 0),則


(4)利用向量內積來證明
如上圖右,
,即a2=b2+c2-2bccosA。
 

(5)利用Heron面積公式來證明
Heron公式為,其中s=(a+b+c)/2。若ΔABC的內切圓半徑為r,切點分別為D、E、F,如圖,令,,,則可將Heron公式改寫成,且顯然Δ=r(x+y+z),因此,xyz(x+y+z)=r2(x+y+z)2,又將代入化簡後可得


(6) 利用複數來證明
將ΔABC放在複數平面上,令A(0), B(z1), C(z2),則,,,。因此,

(7)利用正弦定理證明
由正弦定理知a=2RsinA,b=2RsinB,c=2RsinC,其中R為ΔABC的外接圓半徑,故
             a2=4R2sin2A
             =4R2sin2(∠B+∠C)
             =4R2(sinBcosC+cosBsinC)2
             =4R2(sin2Bcos2C+cos2Bsin2C+2 sinBsinCcosBcosC)
             =4R2(sin2B(1-sin2C)+sin2C (1-sin2B)+2 sinBsinCcosBcosC)
             =4R2(sin2B+sin2C-2sin2B sin2C+2 sinBsinCcosBcosC)
             =4R2sin2B+4R2sin2C+8R2sinBsinC(cosBcosC-sinBsinC)
             =b2+c2+2bccos(∠B+∠C)
             =b2+c2-2bccosA


(8)利用圓內冪性質、圓外冪性質來證明
不失一般性,先假設∠B與∠C均為銳角。以B點為圓心,c=為半徑畫圓,不外乎下圖三種情形:
(i)最左圖是∠A為銳角,且c為最長邊;
(ii)中間的圖∠A是為銳角,但c不為最長邊;
(iii)最右圖為∠A為鈍角的情形。
可以注意到,若∠A為直角,則為通過A點的切線,運用中間的圖及以下的證明方式,也可推導出畢氏定理。
令與圓交於D點,與圓交於E、F兩點,弦。由圓內冪及圓外冪性質知:
(i)∠A為銳角,且c為最長邊時,,即b×(2ccosA-b)=(a+c)×(c-a),化簡移項得即得a2=b2+c2-2bccosA。
(ii)∠A為銳角,且c不為最長邊時,,即b×(b-2ccosA)=(a+c)×(a-c),化簡移項得即得a2=b2+c2-2bccosA。若∠A為直角,則A、D重合,上式即為切割線性質的運用。
(iii)∠A為鈍角時,,即b×(b-2ccosA)=(a+c)×(a-c),化簡移項得即得a2=b2+c2-2bccosA。


 (9)觀察圖形
不失一般性,我們可以假設∠B與∠C均為銳角。若∠A為直角,即可由cosA=0及畢氏定理得a2=b2+c2-2bccosA之結果。因此只需考慮∠A為銳角以及鈍角的情形。如圖,作正方形BCDE、正方形ACHP,再以和為邊作平行四邊形BAPG,再作正方形PGEF。則顯然ΔABC≅ΔFED≅ΔHDC≅ΔGEB,且平行四邊形BAPG≅平行四邊形HDFP。
若∠A為鈍角,如左圖,因為ΔABC≅ΔFED,ΔHDC≅ΔGEB,所以
正方形BCDE面積=正方形ACHP面積+正方形PGEF面積+平行四邊形BAPG面積+平行四邊形HDFP面積,
又正方形BCDE面積=a2,正方形ACHP面積=b2,正方形PGEF面積=c2,
平行四邊形BAPG面積+平行四邊形HDFP面積=2bcsin∠BAP=2bcsin(3π/2-∠BAC)=-2bccos∠BAC,
故得a2=b2+c2-2bccosA。

若∠A為銳角,如右圖,因為
ΔABC≅ΔFED,ΔHDC≅ΔGEB,所以
正方形面積BCDE
=(五邊形BCHPA面積+五邊形BGPFE面積-平行四邊形BAPG面積)-(平行四邊形HDFP面積+ΔHDC面積+ΔFED面積)
=(五邊形BCHPA面積-ΔABC面積)+(五邊形BGPFE面積-ΔGEB面積)-平行四邊形BAPG面積-平行四邊形HDFP面積
=正方形ACHP面積+正方形PGEF面積-平行四邊形BAPG面積-平行四邊形HDFP面積。
又正方形BCDE面積=a2,正方形ACHP面積=b2,正方形PGEF面積=c2,
平行四邊形BAPG面積+平行四邊形HDFP面積=2bcsin∠BAP=2bcsin(π/2+∠BAC)=2bccos∠BAC,
故得a2=b2+c2-2bccosA。

其實,若B、G、A、P四點共線,則∠BAC為直角,亦可利用此圖形來證明畢氏定理。



(10)類似歐幾里得《幾何原本》第一卷第47命題證明畢氏定理的方式來證明

分別自ΔABC的三邊各作正方形BCDE、ACFG、ABHI,作交於J,交於P,作交於K,交於Q,作交於L,交於R。

不失一般性,假設∠B與∠C均為銳角。

矩形BLRH面積矩形BEPJ面積,同理矩形CFQK面積=矩形CDPJ面積。

矩形AIRL面積矩形ACQK面積。即矩形AIRL面積=矩形ACQK面積。

顯然,若∠A為直角,則Q、G兩點重合,I、R兩點重合,則矩形AIRL面積與矩形ACQK面積均為0,故正方形BCDE面積=正方形ACFG面積+正方形ABHI面積,即a2=b2+c2,此為畢氏定理之證明。

若∠A為銳角,則正方形BCDE面積=正方形ACFG面積+正方形ABHI面積-(矩形AIRL面積+矩形ACQK面積),即a2=b2+c2-2bccosA。

若∠A為鈍角,則正方形BCDE面積=正方形ACFG面積+正方形ABHI面積+(矩形AIRL面積+矩形ACQK面積),即a2=b2+c2+2bc∣cosA∣=b2+c2-2bccosA。